Измерение температуры термоэлектрическими термометрами (90

Рис. 4. Электрическая схема автоматической компенсации температуры холодных спаев термопары:

1– компенсационный мост; 2– термопара; 3– милливольтметр; 4– источник сетевого питания

При градуировочной температуре (t0 = 0° С) холодных спаев термопары мост находится в равновесии и разность потенциалов на вершинах моста cd (поправка) равна нулю. При отклонении температуры холодных спаев от t0 = 0°C меняется сопротивление R4, вследствие чего нарушается равновесие моста, и на его вершинах cd возникает разность потенциалов, которая равна по величине и противоположна по знаку изменению ТЭДС термопары, вызванному отклонением температуры ее холодных спаев от градуировочной. Эта поправка добавляется к базовой разности потенциалов, и милливольтметр показывает измеренную величину температуры.

Преобразователи термоэлектрические с унифицированным токовым выходным сигналом

(типа ТХАУ (хромель-алюмель))

Эти термопреобразователи обеспечивают непрерывное преобразование температуры твердых, жидких, газообразных и сыпучих веществ в унифицированный токовый сигнал и предназначены для работы в системах автоматического контроля и регулирования технологических процессов. Первичный

11

преобразователь преобразует температуру в милливольты. Встроенный в головку датчика (рис. 5) измерительный преобразователь преобразует милливольты в унифицированный токовый выходной сигнал (4-20 мА), что дает возможность построения систем АСУТП без применения дополнительных нормирующих преобразователей. В современных схемах роль измерительного преобразователя выполняет микропроцессорный преобразователь.

Микропроцессорный преобразователь сигналов первичного преобразователя в унифицированный размещен также в головке термопреобразователя и содержит компенсатор нелинейности сигнала первичного преобразователя и компенсатор температуры холодного спая. Выходные сигналы (0-5) мА, (4-20) мА [2].

Рис. 5. Преобразователь термоэлектрический с унифицированным токовым выходным сигналом (ТХАУ)

Измерительные (вторичные) приборы, применяемые в комплекте с термопарами для измерения температуры

Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяют вторичные приборы: милливольтметры и потенциометры (той же градуировки, что и термопара). Милливольтметры – это магнитоэлектрические приборы. Их работа основана на взаимодействии проводника, по которому течет ток, и магнитного поля постоянного магнита.

Принцип потенциометрического метода измерения основан на уравновешивании (компенсации) измеряемой ТЭДС известной разностью потенциалов, образованной вспомогательным источником тока.

12

Принцип действия магнитоэлектрического милливольтметра

Магнитная система милливольтметра (рис. 6) состоит из подковообразного магнита, полюсных наконечников и цилиндрического сердечника 1. В воздушном кольцевом зазоре между полюсными наконечниками и сердечником вращается рамка 2 из медного (реже алюминиевого) провода.

Рис. 6. Схема измерительного механизма магнитоэлектрического милливольтметра

Чаще всего рамка крепится на кернах 5, которые опираются на подпятники 3 из агата или рубина. Момент, противодействующий вращению рамки, создается спиральными пружинами 4, которые одним концом крепятся к оси 5 и одновременно служат для подвода тока от термоэлектрического преобразователя к рамке. Зависимость угла φ поворота рамки, а значит, и стрелки 7, от величины тока I (то есть от величины температуры) может быть выражена приближенной формулой φ≈СI, где С =const. Из формулы следует, что шкала милливольтметра 6 равномерна и чувствительность прибора одна и та же в любом месте шкалы. В приборах с рамкой на кернах необходимо учитывать момент трения в опорах, который вносит погрешность в результаты измерений и создает вариацию в показаниях прибора.

13

Погрешности вызываются также неуравновешенностью по- движной системы, когда ее центр тяжести не совпадает с осью вра- щения.

Достоинства термоэлектрических термометров

1.Достаточно высокая точность измерения температуры.

2.Возможность централизованного дистанционного контроля температуры путем соединения нескольких термометров через переключатель к одному вторичному прибору.

3.Возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора.

4. Достаточно широкий диапазон измеряемых температур

(–200 ÷ +2500 0С).

Содержание работы

1.Изучить принцип измерения температуры термоэлектрическим способом.

2.Ознакомиться с типами, конструкцией термоэлектрических преобразователей и их характеристиками.

3.Изучить принцип действия и устройство магнитоэлектрического милливольтметра, схему устройства КТ.

4.Поверить преобразователи ХА и ХК и сделать вывод о их пригодности к эксплуатации.

Описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов

Принципиальная функциональная схема поверки термоэлектрических преобразователей приведена на рис. 7 (в обозначениях, принятых ГОСТ 21.404-85).

14

Рис. 7. Функциональная схема поверки термоэлектрических преобразователей

Температуру в печи и скорость ее нагрева устанавливают вращением рукояти лабораторного автотрансформатора 1. Поверяемые преобразователи ХА (поз.1-3) и ХК (поз.1-4) через переключатель П (1-5) выведены на милливольтметр 2 (поз.1-6). Температура свободных концов термоэлектропреобразователей измеряется термоэлектрическим термометром и отображается на зеленом индикаторе цифрового прибора ТРМ 200 (3), который находится на щите установки (рис. 8). Поверка преобразователей производится по показаниям прибора 3 (поз.1-2) – универсального цифрового прибора ТРМ 200, принимающего сигналы напряжения постоянного тока от преобразователя типа ХА и ХК (поз. 1-1).

15

Рис. 8. Внешний вид лицевой панели стенда

Показания цифрового прибора 3 принимаются за действительные значения температуры в печи.

Моменты снятия показаний определяются визуально по прибору 3. Полученные результаты измерений заносят в таблицу 3.

16

Порядок выполнения работы

1.Подать питание на цифровой прибор 3 включением переключателя П1 на лицевой панели стенда и на нагревательный элемент печи – включением переключателя П2.

2.Плавно поворачивая рукоятку ЛАТРа 1 по часовой стрелке, установить его указатель на отметке 100-120 В.

3.При температурах, заданных преподавателем, по показаниям прибора 3, произвести замеры ТЭДС термопар ХА и ХК. Для этого при каждой из указанных температур обе термопары с помощью переключателя П поочередно присоединить к милливольтметру 2. результаты измерений занести в графу 3 табл.3.

4.По зеленому индикатору прибора определить температуру свободных концов термоэлектрических преобразователей. Результаты занести в графу 4 табл. 3.

5.Вывести рукоятку ЛАТРа против часовой стрелки, снизив ток до нуля. Выключить переключатели П2 и П1.

17

Таблица 3.

Экспериментальные данные поверки термоэлектрических преобразователей

18

Обработка и оформление результатов эксперимента

1. Заполните табл. 3.

Используя стандартные градуировочные табл. А, Б, найти поправку Е(t’ 0,t0) на температуру свободных концов t’ 0. найденную поправку занести в графу 5;

рассчитать по формуле (1) и занести в графу 6 табл. 3 величину Е(t,t0);

вписать из градуировочных таблиц А и Б (см. рис. 8) значения Егр.(t,t0) в графу 7 табл. 3;

подсчитать экспериментальную погрешность Еэксп.= Е(t,t0)- Егр.(t,t0) и занести результат в графу 8 табл. 3.

2.Построение графика.

Вкоординатах Е, (мВ)–t,( °C), используя данные табл. 3, построить на одном графике зависимость Е(t,t0) и Егр.(t,t0) для ТХА. На другом графике построить аналогичные зависимости для ТХК.

3.Вывод о пригодности поверяемых термопреобразователей.

Пределами допускаемых отклонений ТЭДС

термоэлектрических преобразователей при t0 = 0°C в диапазоне измеряемых температур являются: для ТХА Е = 0,16 мВ; для ТХК

Е = 0,2 мВ. Сравнить величины Е и Еэксп. (табл. 3 графа 8) и сделать вывод о пригодности термоэлектрических преобразователей.

4.Составление отчета.

Отчет включает: цель работы; заполнение табл. 3;

построенные графики; индивидуальную схему в соответствии с номером студента в бригаде; вывод о пригодности поверяемых термоэлектрических преобразователей.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается принцип измерения температур термоэлектрическим способом?

2.Какие типы стандартных термоэлектрических преобразователей известны? Каков диапазон измеряемых температур для каждого типа термоэлектрических преобразователей?

19

3.Какие измерительные приборы применяются в комплекте с термоэлектрическими преобразователями для измерения температуры?

4.Принцип действия преобразователя с унифицированным выходным сигналом.

5.Какими способами исключается влияние колебания температуры свободных концов термоэлектрических преобразователей на показания милливольтметра?

6.Объясните свои индивидуальные схемы в соответствии с заданиями по данной работе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Кулаков, М.Н. Технологические измерения и приборы для химических производств / М.Н. Кулаков. – М.: Машиностроение, 1974. - 464с.

2.Герке, А.Р. Технические средства контроля в системах управления технологическими процессами: учебное пособие / А.Р. Герке [и др.] – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007, 80 с.

3.ГОСТ 6616-94. Преобразователи термоэлектрические. Общие технологические условия.– Минск.: Изд-во стандартов, 1994.

4.Термоэлектрические преобразователи температуры. Теория, практика, развитие / Под общ. ред. А.В. Каржавина. – Изд. 2-е доп. –

Обнинск. – 2004. – 84 с.

20